颈伸肌群对颈椎间盘和小关节内压力变化的影响**☆

房敏1，姜淑云1，洪水棕2，严隽陶1，孙武权1，刘玉超1，左亚忠3

课题背景：课题为国家自然科学基金资助项目（30472247）；上海市重点学科建设资助项目（T0302）。针对颈椎发病的研究，有临床、基础和应用研究3部分；研究方法有临床在体随机对照分析、生物力学、分子生物学、免疫学、电生理、数理模型分析等。就广度和深度而言，对颈椎的研究认识已有相当积累，目前及下一步，应更加关注颈椎病临床应用中关于预防、安全适宜高效的治疗手段及疗效再评价等问题。

应用要点：文章结果对颈椎病应用基础研究的思路、设计与测试方法有帮助；可以指导临床医生在治疗时更加重视颈部软组织的性能状态、颈椎骨结构与颈部软组织的功能关系，有助于提高临床治疗效果和安全性。如能进一步解决安全科学的在体无创观察测试方法，模拟半在体状态，更加接近在体生理状态等问题，可以预见应用于临床实践，将会产生良好的社会和经济效益。

相关链接：在颈椎病研究领域，临床随机对照，有效干预手段的安全性及疗效再评价，长期随访，相关基础研究中离体标本与活体状态的差异，实验室研究结果与临床应用差异，某种具体研究方法的局限性，重颈椎骨结构轻颈部软组织，重离体标本轻在体功能状态，重局部轻整体，重动物实验轻人体试验，安全科学的在体无创观察测试方法，盲法，多种研究方法之间的合理评价问题，亟待解决。

1上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院，上海市 200437；2上海交通大学工程力学系，上海市 200030；3上海交通大学附属第一人民医院推拿科，上海市 200080

房敏☆，男，1965年生，山东省济南市人，汉族，2000年上海中医药大学毕业，博士，主任医师，主要从事脊柱及推拿生物力学的研究。
lhr_tcm@126.com

国家自然科学基金资助项目（30472247）*；上海市重点学科建设资助项目（T0302）*

摘要
目的: 颈椎周围肌群是维系颈椎关节稳定和功能的动力系统，其性能改变对颈椎病发生发展具有重要意义。实验拟观察新鲜颈椎标本椎间盘和小关节内压力变化，探讨颈周肌群在颈椎发病机制中的作用。
方法：①实验材料：实验于2005-03/07在上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院推拿生物力学实验室完成。5具新鲜尸体颈椎结构标本由原解放军第一军医大学提供。②实验方法：将C3~4、C4~5、C5~6、C6~7的颈椎间盘前缘和关节突关节C3~4、C4~5、C5~6、C6~7等处同时埋置8个微型压力传感器，并应用模拟颈伸肌正常生理段性能的弹簧。③实验评估：观察颈椎结构包括颈伸肌等在颈椎活动时的压力变化情况。
结果：随前屈角度的增加，颈椎间盘内的压力和颈伸肌的拉力明显增加。而随后伸角度的增加，小关节内的压力明显增加。加载模拟伸肌后，椎间盘和小关节的压力明显减低。
结论：颈伸肌群分担了一部分颈椎载荷，屈颈几率和强度的增加是颈椎病发生发展的关键因素。
关键词：颈伸肌；生物力学；颈椎病；椎间盘；小关节；组织构建

房敏，姜淑云，洪水棕，严隽陶，孙武权，刘玉超，左亚忠. 颈伸肌群对颈椎间盘和小关节内压力变化的影响 [J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(15):2847-2850 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-15/15k-2847(ps).pdf]

中图分类号:R681.531
文献标识码:A
文章编号:1673-8225
(2008)15-02847-04

Role of cervical extensor muscles in pressure alterations of intervertebral disc and facet joints

Abstract

AIM:Cervical muscles are power system for neck physiologic function and structure stabilization, and their pathological changes or dysfunction may result in cervical spondylosis. This study investigated the role of cervical muscles in cervical spondylosis by observing the alterations of fresh cervical vertebrae intervertebral cartilage and facet joint intra-articular pressure.
METHODS: ①The experiment was performed at Laboratory of Biomechanics, Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine from March to July 2005. Five samples of fresh cadaver cervical vertebrae were provided by previous First Military Medical University of Chinese PLA. ②Eight micro-pressure transducers were embedded in the intervertebral disc and facet joints of C3-4, C4-5, C5-6, and C6-7. A spring was simulated as cervical extension muscles and the strength was measured when it was pulled. ③Pressure changes were measured.
RESULTS: The stress in the intervertebral discs of C3-4, C4-5, C5-6, C6-7 cervical spine increased obviously with the increasing of flexion degree. The pressure in the intervertebral facet joints in C3-4, C4-5, C5-6, C6-7 of cervical vertebrae increased remarkably with the increasing of extension degree. The pressure in intervertebral discs and facet joints significantly decreased under simulated extensor.
CONCLUSION: Cervical extensor muscles share partial load of cervical vertebrae. Neck flexion rate and increase in strength are key factors for the prevalence of cervical spondylosis.

Fang M, Jiang SY, Hong SZ, Yan JT, Sun WQ, Liu YC, Zuo YZ. Role of cervical extensor muscles in pressure alterations of intervertebral disc and facet joints.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(15):2847-2850(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-15/15k-2847(ps).pdf]

目前，对颈椎的研究多集中在颈椎间盘和后关节，认为颈椎病的发生是颈椎间盘退变本身及其继发性改变刺激或压迫邻近组织，引起各种症状和/或体征的改变。但是，在临床上患者影像学与临床表现不同步现象经常发生，促使医者去思考椎间盘以外以及与椎间盘密切相关的其他重要影响因素。近年来的研究表明，颈椎病的发生发展与颈椎周围软组织尤其是颈伸肌群关系密切[1-3]。
在临床实践中发现，颈椎病患者在亚临床状态下，其颈椎肌肉力量降低和活动度减小是其最初的表现[4]，通过颈椎肌肉力量训练提高患者力量的同时也可以改善患者椎体的活动范围[5]。推拿疗法在保守治疗颈椎病方面发挥了重要的作用，推拿可以有效的改善患者椎体生理屈度，提高其活动范围[6]。推拿作用的途径无外乎颈部肌肉和调整小关节，本课题旨在证实颈部肌群尤其是颈伸肌群是颈椎病发生的重要因素，为推拿临床提供实验依据。

设计：对比观察。
单位：上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院。
材料：实验于2005-03/07在上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院推拿生物力学实验室完成。正常的无结构破坏的颈椎标本（自C1至T2）5具，颈椎标本由原解放军第一军医大学提供。
设计、实施、评估者：实验设计为第一、三作者，干预实施为第二、四、五作者，评估为第六、七作者。
方法：
标本制备：实验前2 h 左右将标本自深冷冰箱中取出，放入冷藏室逐级解冻。用盐水纱布包裹的解冻后标本不时以生理盐水喷雾湿润，仔细剔除多余赘肉，保持韧带及椎间结构体的完整。第2胸椎椎骨底部安装下承载盘，在第1颈椎水平安置上承载盘，以手枪钻将克氏针呈“十”字状交叉，将颈椎标本固定在上下承载盘上，再调骨水泥填附于椎骨与盘空隙处固定之。将颈椎上下承载盘固定在颈椎加载实验装置上。
传感器制备：由上海交通大学工程力学系生物力学研究室协助研制电阻应变式袖珍压力传感器（直径为4 mm）20个（精度1%），传感器弹性元件材料采用优质铍青铜片，并制成圆形膜片结构型式。此外，还研制弓形高精度（3‰精度）拉压传感器和平板式拉力传感器（精度1%）。每个力传感器均经标准砝码及配上直流放大器的16通道MX100数据采集系统（日本横河公司）逐个标定。
传感器的埋置：在颈椎间盘C3~4、C4~5、C5~6、C6~7处椎间盘前缘和小关节C3~4、C4~5、C5~6、C6~7处将传感器埋入后缝合。在半载体实验时，选取与正常生理范围中后颈肌群弹性模量相近的弹簧进行模拟，弹簧一端与测定肌力拉力平板式传感器的一端相连接，拉力传感器另一端与颈椎的上承载盘连接，而弹簧的另一端则连接到颈肌的下承载盘上。弹簧的本构关系见图1。

实验测试过程：实验参照美国Iowa大学刘永庆教授与颈椎结构标本加载重心问题[7]，在寰椎承载盘上根依据头颅重心点进行砝码加载。参照人体头部正常生理位和前屈活动功能状态，缓慢匀速地将颈椎标本拨至不同的活动角度上，进行数据采集并贮存到电脑上。一个操作者读秒，另一个操作者将颈椎标本运动至不同的角度。
主要观察指标：颈椎间盘内压力，关节突关节（小关节）内压力。
统计学方法：由第一作者采用SPSS 10.0软件完成统计处理。

加载模拟颈伸肌与无加载前屈各角度椎间
盘内压力比较，见表1，图2，图3。

从表1和图2、图3可以看出，加载模拟颈伸肌后，颈椎间盘和小关节内的压力明显降低，说明颈伸肌群可以分担颈椎的部分应力，改善颈椎的异常应力环境，维持颈椎的稳定和平衡，减缓颈椎间盘、小关节等颈椎结构的退变进程，对颈椎病疼痛及相关症状的减轻或消除起到积极的作用。

正常脊柱的平衡由两方面来维护，一为内源性稳定，包括椎体、附件、椎间盘及相连的韧带，为静力平衡。二为外源性稳定，包括肌肉的调节和控制，这是脊柱运动的原始动力，为动力平衡。颈椎的稳定与力学平衡是由其前部与后部结构的完整性及其周围肌群的正常肌力所维持。
颈部肌肉在颈椎病发病中的作用越来越受到学者的关注[8-9]。去肌肉的尸体脊柱当所承受的轴向压缩载荷超过20 N 时就会发生弯曲[10]。Sohn等[11]用猫科动物研究了静力性屈曲对腰背侧肌肉组织的影响。结果发现，屈曲20 min 后可引起肌肉组织的蠕变、反射活动的降低及肌痉挛，经过7 h 的休息后，肌肉组织的蠕变、反射活动未能完全恢复正常。在临床中，颈椎病患者常多发于长期伏案工作的人，其肌肉僵硬，柔韧度低。这种长期紧张的肌肉对颈椎后关节和椎间盘是一种异常的应力，长期会导致小关节和髓核发生病变[12]。在颈椎病的亚临床状态中，患者的颈椎肌肉力量下降并伴有椎体活动范围的减小[4]，本实验有力的印证了这一事实，在有模拟颈椎肌肉的状态下，椎间盘和后关节的应力均小于没有颈椎肌肉的情况。颈部肌肉的异常功能状态及运动方式能导致椎体、椎间盘的机械性异常位移[13]，造成椎体负荷异常，导致颈椎的机械行疼痛[14-15]。国外的学者在颈椎病的康复治疗中非常注意患者颈部肌肉力量的锻炼，强健的颈部肌肉可以保护椎体的稳定性和椎体之间的空间结构关系并能减少颈痛的发生[6,14]。生物力学研究发现，颈椎椎间盘退变及伴发的骨性病变(静力平衡结构改变)是颈椎病发病的主要原因及病理学基础[15]。然而，颈椎肌肉功能减退和颈椎长时间的位置异常才是椎间盘异常应力的始作俑者。
颈部肌肉功能异常，不仅仅在生物力学方面对颈椎的内部结构有影响，而且在病理学和组织学方面同样加速椎间盘的退变和凋亡，长时间的屈颈，可使颈项部肌肉出现僵硬、挛缩等病理表现；超微结构上表现出肌原纤维萎缩，粗细不均，肌原纤维间隙增宽，明、暗带消失，肌节不清晰，大量线粒体肿胀等病变[17]。国内郭云良等[18]利用肌球蛋白ATP酶染色方法，研究正常人和退变性颈椎失稳患者颈后深部肌肉的组织化学特征，以探讨颈后深部肌肉在退变性颈椎失稳发病中的作用。退变
性颈椎失稳患者颈后深部肌肉I型肌纤维较正常人减少，Ⅱ型纤维增多，差异有显著性意义。横切面积与正常人相比差异无显著性。Ⅰ型纤维的减少可能使颈后深部肌肉对维持头颈的生理姿势和调节颈部精细运动功能大大减弱。在肌球蛋白ATP酶染色时肌纤维轮廓不清、横切面有小空泡，说明肌纤维结构已发生病理变化，其正常功能肯定受到影响。
屈颈频率和强度的加大，使肌肉、韧带和胶原组织长时间拉伸而发生应力松弛，使脊柱暴露于双重危险之下。第一，使脊柱蠕变以致更加前屈，因而更容易发生椎间盘突出。第二，韧带和肌腱应力松弛降低了力学感受器的敏感性，极大地减弱了肌肉对脊柱的反射性保护。因此，颈椎周围肌肉系统对颈椎尤其是椎间盘的保护作用非常重要。本实验也证实了这一点。与离体标本相比，实验中在颈椎后方只简单地加载了一个模拟颈伸肌的弹簧，颈椎间盘和小关节的压力就下降了1.0~2.5倍，那么颈椎周围包括深浅肌群在内的40余条肌肉对颈椎结构的保护作用是强大而有效的，分担了颈脊柱的一部分负荷，使颈椎异常高应力状态得到缓解，影响了颈椎病的发生和发展。
受限于实验条件，尚不能完全模拟人体在正常生理情况下颈部肌肉的运动情况。本实验只是初步从定量的方式入手简化颈椎肌肉的情况来模拟正常人体颈部肌肉作用的情况。随着技术手段的不断进步，已经有学者采用表面肌电图来描述颈椎病患者其颈部肌肉的生物电变化[19-20]，但是这种实验只能测试颈部肌肉的生物电性能，而由于肌肉变化所造成的椎体内部结构的改变却不得而知。因此，如何解决这一问题还需要技术的进步和多学科的进一步合作。

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